南京市校园室内空气微生物特征

孙 帆,钱 华,叶 瑾,诸葛阳,郑晓红,廖文豪,王 翀,武星彤

南京市校园室内空气微生物特征

孙 帆,钱 华*,叶 瑾,诸葛阳,郑晓红,廖文豪,王 翀,武星彤

(东南大学能源与环境学院,江苏 南京 210096)

为调查南京市学校教室内空气微生物污染状况,本研究各选一所幼儿园、小学、初中和大学,每所学校分别随机选取10间教室,采用六级安德森采样器进行空气微生物采样.研究发现,在南京地区所调研的这4所不同类型的学校中,幼儿园室内空气微生物浓度最高,细菌和真菌浓度均值分别为605CFU/m3和648CFU/m3,均显著高于其余3所学校.室内细菌和真菌粒径分布趋同,峰值均出现在Ⅴ级(1.1~2.1μm).仅在大学教室内,发现环境参数与空气微生物浓度存在显著相关性.幼儿园教室内学生每天吸入的细菌和真菌剂量分别为150.2CFU/kg和160.9CFU/kg,均显著高于其他学校学生.

学校；空气微生物；粒径分布；暴露剂量

空气微生物包括存在于空气中的细菌、真菌和病毒等.空气微生物污染日益引起人们的关注,目前世界卫生组织(WHO)已经将生物气溶胶纳入到室内空气污染物的范畴[1].暴露于室内微生物环境可能会使人们患过敏和各种呼吸道疾病[2-5].空气微生物粒径范围较广,细菌为0.25~20μm,真菌为1~ 30μm[6].微生物的粒径决定了这些粒子在人体呼吸系统中沉降的位置[7-8],例如粒径小于10μm的粒子能够进入鼻咽部位,而1~2μm的粒子能够直接进入肺泡组织[9].空气微生物的种类不同,对人体产生的危害也不同.例如葡萄球菌对人具有免疫毒性作用,而曲霉菌和青霉等真菌则会加剧哮喘的症状[10].室内空气微生物受到室外环境、室内人员及其活动和通风方式等多个因素的影响[11-12].其中,人员及其活动是影响室内微生物污染的重要因素.研究表明,室内人员产生的呼出气在1h内会释放3.1mg微生物颗粒到周围环境中[13],而人员走动会导致沉降在地面上的微生物再次悬浮扩散.此外,温度和相对湿度等环境因素对室内空气微生物的影响也不可忽略[14-15].学校是学生主要的生活环境之一,且学校人口密集,易爆发流感等疾病.对儿童而言,由于其免疫系统和呼吸系统尚不成熟,其健康更容易受到微生物污染的影响[16].目前已经开展了许多关于校园室内空气微生物污染的研究[17-20],但是国内少有研究对比不同阶段的学校微生物污染状况和量化学生吸入的空气微生物剂量,使得人们很难评价相应的暴露风险.本研究在南京市随机选取了幼儿园、小学、初中和大学4种不同类型的学校,研究每所学校教室内空气微生物浓度水平和粒径分布特性,分析室内环境参数与空气微生物浓度相关性,并计算学生吸入的空气微生物剂量,为未来建立校园室内空气微生物污染评价体系提供数据.

1 材料与方法

1.1 采样基本信息

采样时间为2018年12月.南京位于长江下游,属于亚热带季风气候,夏季高温多雨,冬季温和少雨.本研究选取了4所不同类型的学校各一所:幼儿园、小学、初中和大学.幼儿园满足省级示范幼儿园的设计与建设要求,小学和初中是南京地区的示范学校,大学在影响力和学科建设整体水平上是南京地区众多高校中的代表.在每所学校分别随机选取10间教室进行室内外采样,所有采样均在课间进行.除了采集空气微生物外,同时测量室内温度、相对湿度和CO2浓度,并记录采样现场特征.采样点现场基本特征如表1.

表1 采样点现场特征

注:a平均值;b为了不打扰学生上课,所有采样均在课间进行;c学生每日室内停留时间包含上课和课间,大学上课作息不固定,且学生课后通常去图书馆自习,室内停留时间小于7h,但是具体时间本次研究暂未详细记录,后续研究会考虑;d气象数据源自中国环境监测总站.

1.2 采样方法

采用六级安德森生物粒子取样器(FA-1,辽阳市康洁仪器研究所,中国)采集教室内细菌和真菌的空气样品.该采样器分为6级,每级400个孔,Ⅰ级~Ⅵ级所对应的粒子捕获范围分别为>7.1,4.7~7.1,3.3~4.7, 2.1~3.3,1.1~2.1,0.65~1.1μm.该采样器流量为28.3L/ min,采样时间为5min.采样器高度为1.0~1.5m,大致对应不同年龄段学生的呼吸高度.采样时采样器距离墙壁、门和窗户等障碍物保持1m以上的距离.每个采样点取样完成后,用酒精对采样器消毒再进行下一组实验.利用普通营养琼脂培养基(NA)采集空气细菌,利用马铃薯葡萄糖琼脂培养基(PDA)采集空气真菌.采样前培养皿密封保存,采样现场设置空白对照,表明培养皿在实验开始前未被污染.采样后,细菌培养皿在37℃培养箱中培养48h后计数.真菌培养皿在28℃、相对湿度60%培养箱中连续培养5d,并在第3d开始计数.采样结果按照菌落形成单位表示(CFU/m3).安德森各个筛孔的微生物粒子超过一定数量之后会导致通过同一筛孔撞击在同一点上的微生物粒子发生重叠,所以采集的各级菌落需经过校正,校正公式如下[21]:

各级微生物粒子所占百分比计算如下:

式中:为各级粒子百分比;T为校正后6级菌落总数;P为各级校正后的菌落数.

各级空气微生物浓度计算如下:

式中:C为各级空气微生物浓度,CFU/m3;P为各级校正后的菌落数,CFU;为采样时长,min;为六级安德森采样器流量,L/min.空气微生物总浓度等于各级浓度之和.

1.3 数据分析

所有数据录入SPSS 23.0中进行分析. Kolmogorov-Smirnov test和Shapiro-Wilk test用于分析采样数据的正态性.利用单因素方差分析(ANOVA)比较4所学校教室内空气微生物浓度是否存在显著性差异.计算Spearman相关系数表征室内环境参数与空气微生物浓度之间的相关性.

1.4 人员吸入空气微生物剂量的计算方法

空气微生物可以通过呼吸、饮食和皮肤吸收等多种途径进入人体,但是通过呼吸系统进入人体的比重最大[22].因而本次研究主要量化教室内学生吸入的空气微生物剂量,其计算方式如下[23]:

表2 学生暴露参数

2 研究结果

2.1 空气微生物浓度特征

图1反映了不同校园教室内空气微生物浓度.幼儿园教室内空气细菌浓度最高,均值为605CFU/m3,而小学、初中和大学分别为104,71,111CFU/m3.幼儿园、小学、初中和大学教室内空气真菌浓度分别为648,231,104,227CFU/m3.幼儿园室内空气细菌和真菌浓度均显著高于其他3所学校(<0.05).此外,每所学校教室内空气真菌浓度均高于细菌浓度.

图1 不同校园室内空气微生物浓度

2.2 室内外微生物浓度比值I/O

室内外空气微生物浓度比值I/O见图2.在幼儿园、小学、初中和大学,细菌的I/O值分别为1.47、1.83、1.25和0.60.除大学外,其余3所校园室内外细菌浓度比值都大于1.四所学校真菌的I/O值分别为0.77、0.71、0.50和0.34,室内外真菌浓度比值均小于1.

图2 室内外空气微生物浓度比值

2.3 空气微生物粒径分布特征

图3 不同学校室内空气细菌粒径分布

图4 不同学校室内空气真菌粒径分布

如图3、图4所示.各所学校教室内空气细菌粒径分布均呈单峰模式,峰值主要出现在Ⅴ级(1.1~ 2.1μm).此外,幼儿园教室内空气细菌主要分布在Ⅳ级、Ⅴ级和Ⅵ级.而在小学、初中和大学,室内各级细菌浓度较为接近,分布比较平均.进一步对比4所学校,发现在Ⅲ级、Ⅳ级、Ⅴ级和Ⅵ级,幼儿园室内空气细菌浓度显著高于其余3所学校(<0.05),而在Ⅰ级和Ⅱ级,4所学校室内空气细菌浓度没有显著的差异(>0.05).

4所学校教室内空气真菌粒径分布同样呈单峰模式.幼儿园、小学、初中和大学4所学校教室内空气真菌峰值也均出现在Ⅴ级(1.1~2.1μm).进一步对比4所学校,发现在Ⅱ级和Ⅳ级,4所学校室内空气真菌浓度没有明显的差异(>0.05),但在Ⅰ级、Ⅲ级、Ⅴ级和Ⅵ级,幼儿园室内空气真菌浓度显著高于其余3所学校(<0.05).

2.4 室内环境参数与微生物浓度的相关性

各所学校教室内环境参数与空气微生物浓度的相关性见表3.在大学,教室内温度与细菌和真菌浓度均存在显著负相关性,而相对湿度与空气真菌浓度存在显著正相关性(<0.05).但在幼儿园、小学和初中,教室内环境参数对空气微生物浓度影响不显著(>0.05).

注: -为未检验;*0.05.

2.5 学生吸入的空气微生物剂量

表4 学生每日吸入的空气微生物剂量(CFU/kg)

表4是幼儿园、小学和初中3所学校学生每日吸入的空气微生物剂量的计算结果.幼儿园教室内学生吸入的空气细菌和真菌剂量最高,其次为小学,初中最低.幼儿园教室内学生吸入的细菌剂量分别是小学和初中的16.9倍、38.5倍,而幼儿园教室内学生吸入的真菌剂量分别是小学和初中的8.2倍、28.2倍.结果表现为低年级学生每天吸入的空气微生物剂量偏高.

3 讨论

3.1 空气微生物浓度特征

研究发现,尽管小学、初中和大学教室内人员密度均大于幼儿园,但3所学校教室内空气微生物浓度水平却显著低于幼儿园.说明在打扫频率相同的情况下,紫外灯和84消毒液的使用对室内空气微生物具有较好的消除作用.这与前人的研究成果一致[25-26].人员活动及其室内停留时间差异也会影响室内微生物污染[27].4所学校采样均在课间进行,采样期间学生活动特征相似,人员会在室内轻微走动.但各学校采样前的人员活动特征存在差异.在小学、初中和大学,采样前学生处于静坐上课状态.而在幼儿园,采样前儿童在室内开展各种低强度游戏.在4所学校中,大学作息时间最为特殊,其学生每天上课时间多变,课后通常离开教室,每日在教室内的停留时间较短.此外,幼儿园每间教室内装有2~3个儿童用蹲便器.有研究指出,每次冲洗蹲便器可以产生大约145000个气溶胶颗粒[28],这些微生物很容易扩散至空气中.4所校园采样均在2018年冬季进行,所以其气候特征基本一致.但事实上,室内外空气微生物浓度往往具有季节性差异,一般夏季浓度高于冬季[29-31].本研究目前只在冬季开展,后续研究会考虑季节对比.此外,各学校采样当天的天气状况存在差异.幼儿园和初中采样当天的室外空气质量要比小学和大学差.已有研究指出天气条件会影响室外大气生物气溶胶浓度,特别在空气质量较差的灰霾天气,室外空气中可培养微生物浓度会增加[32-34].但是当室外空气质量较差时,人们通常会减少开窗时间,所以天气状况对室内微生物的直接影响可能有限.

在本次研究中,各所学校教室内空气真菌浓度均高于细菌,可能是因为真菌源强度大于细菌源强度.4所学校教室每天都进行打扫,室内环境整体而言是整洁的,细菌源强度可能较弱.但每所学校教室周边均有大面积绿化,这对室内环境来说是很强的真菌源.此外,幼儿园、小学和初中教室内存在拖地水槽,这样的局部潮湿环境也是有利于真菌生存的.

3.2 室内外微生物浓度比值I/O

I/O值的大小可以提供有关空气微生物来源方面的信息.4所学校空气真菌浓度的I/O值均小于1,说明室外空气真菌浓度水平更高,这可能是因为教室周边的绿化环境.研究指出绿色植物的叶原基是空气真菌生长的天然培养基,会导致室外真菌浓度增加[35].因而在这种情况下,室外空气是真菌的主要来源之一.当然也不能忽略建筑室内特征的影响,例如教室内拖地水槽同样可能是真菌的贡献源.另外一方面,除大学外,幼儿园、小学和初中细菌浓度的I/O值均大于1,说明细菌源可能主要来自室内,例如长时间待在室内的学生以及他们在采样前和采样过程中的活动方式和活动水平.在大学,教室内空气细菌浓度低于室外,可能是因为大学生在室内停留时间较短,使得室内缺少显著的细菌源.

3.3 空气微生物粒径分布特征

研究指出粒径小于4.7μm的微生物粒子可被人员吸入[36].在本次研究中,幼儿园、小学、初中和大学教室内粒径小于4.7μm的细菌所占百分比分别为92.5%、67.2%、64.0%和75.6%,而真菌占比分别为93.4%、84.5%、80.7%和93.0%.相比细菌,粒径较小的真菌粒子含量要更多.这可能是因为空气中细菌主要吸附在非生物粒子表面,而空气真菌则常以单个孢子的形式存在[8].4所学校教室内空气微生物分布模式相似,但幼儿园在Ⅲ级、Ⅴ级和Ⅵ级粒径范围显著高于其余3所学校.采样期间,4所学校室内人员活动特征相似,所以这样的结果可能主要与采样前的人员活动特征相关.与小学、初中和大学室内人员在采样前的静坐状态相比,幼儿园内儿童在采样前开展的各种低强度的活动对室内环境扰动更强.人员的扰动会使地面颗粒物悬浮,大粒径的粒子在重力作用下很快沉降,但粒径较小的颗粒则长时间悬浮在空中,需要很长时间才能沉降下来.

3.4 室内环境参数与微生物浓度的相关性

本研究结果表明,仅在大学,发现室内环境参数与空气微生物浓度存在显著地相关性.而在幼儿园、小学和初中,室内环境参数对空气微生物浓度影响不大,这或许与室内温度、相对湿度和二氧化碳浓度本身波动较小有关.事实上,温度和相对湿度是影响微生物生长的重要条件,微生物的生长繁殖都需要适宜的温度和湿度,超过一定极限甚至会导致微生物丧失活性[37].当然不同物种需要的温度和湿度区间会存在差异,例如军团菌生长最适合温度为35~ 46 ℃,相对湿度55%~99%,青霉所需适宜温度则为22~28℃,相对湿度81%~99%[38].

3.5 学生吸入的空气微生物剂量

本次研究发现,3~6岁的幼儿每天在教室内吸入的空气微生物剂量显著高于其他年龄段的学生.这样的结果与之前的研究一致.Brągoszewska等[23]在波兰研究了一所幼儿园、小学和中学,发现学生每天吸入的空气微生物剂量分别为489,337,24CFU/kg.在一所乡村幼儿园,在春季和冬季低年龄段学生吸入的空气微生物粒子剂量均高于年长学生[39].此外,Fonseca等[40]则指出位于市区幼儿园内的学生每天吸入的超细粒子(0.02~1μm)剂量是教职工的4~6倍.儿童自身的免疫系统还不完善,吸入大量细小的生物性粒子会对其身体健康造成很大的伤害,影响后天的生长发育,应该给他们提供健康的学习环境.

3.6 研究的局限性

本研究作为南京地区校园室内空气微生物的初步研究,当前选择的样本量有限,后续会增加不同类型学校数量.还存在以下不足:首先,实验仅在冬季进行,缺乏季节间的比较.其次,缺乏大学生每日教室内停留时间方面的信息,未能给出大学生每日的微生物暴露剂量.最后,为了提高风险评估的准确性,还应该考虑教室内是否存在致病菌.对于一些致病菌,例如肺炎链球菌和金黄色葡萄球菌,即使人员吸入的剂量较少,也有可能对人体健康带来很大的伤害.

4 结论

4.1 不同类型的学校室内空气微生物浓度存在差异,采取定期消毒措施可有效降低微生物浓度水平.

4.2 各所学校教室内空气细菌和真菌的粒径分布模式相似.相比小学、初中和大学,幼儿园室内粒径较小的微生物粒子含量更多.

4.3 仅在大学观察到教室内环境参数与空气微生物浓度存在显著相关性.

4.4 幼儿园教室内学生每天吸入的空气微生物剂量显著高于小学和初中.

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Characteristics of airborne microorganisms in school classrooms in Nanjing.

SUN Fan, QIAN Hua*, YE Jin, ZHUGE Yang, ZHENG Xiao-hong, LIAO Wen-hao, WANG Chong, WU Xing-tong

(School of Energy and Environment, Southeast University, Nanjing 210096, China)., 2019,39(12)：4982~4988

In order to investigate indoor airborne microbial contamination in school classrooms, air samples were collected with six-stage Andersen samplers in classrooms at a kindergarten, a primary school, a middle school and a university in Nanjing, Jiangsu. Ten classrooms in each school were randomly selected. Among the four types of school surveyed, the kindergarten classrooms were found to have the maximum concentration of airborne bacteria and fungi. The mean concentrations of bacteria and fungi were 605CFU/m3and 648CFU/m3, respectively, which were much higher than that in the other three schools. The size distributions of indoor airborne bacteria and fungi were similar cross all four types of school, with the peak at the stage 5 (1.1~2.1μm). The correlation between indoor environmental parameters and airborne microorganisms was only found to be significant in university classrooms. The daily inhalation doses of airborne bacteria and fungi for kindergarten students were highest at 150.2CFU/kg and 160.9CFU/kg respectively. The study provided some evidence data to evaluate the risk of airborne microbial contamination in schools.

school；airborne microorganism；size distribution；exposure dose

X51

A

1000-6923(2019)12-4982-07

孙 帆(1995-),男,江苏泰州人,东南大学硕士研究生,主要从事空气生物性污染方面的研究.

2019-05-17

“十三五”国家重点研发计划项目(2017YFC0702800)

* 责任作者, 教授, qianh@seu.edu.cn